【综述】金属锂负极表面的固体电解质界面膜
金属锂负极以其十倍于传统石墨负极的理论容量 (3860 mA h g-1, 石墨负极: 372 mA h g-1) 和最负的电势 (-3.045V)，成为电池储能界的“圣杯”。当金属锂负极与高能量密度的硫(理论能量密度: 2600 Wh kg-1)和氧气正极(理论能量密度5210 Wh kg-1)耦合使用时，有望满足纯电动汽车对于能量密度的需求，提高电动汽车单次充电的行驶里程，为中国的雾霾问题提供新的解决思路。
作为一种具有重要研究前景的电池储能系统，金属锂电池引起了学术和产业界研究人员的极大关注。目前限制金属锂负极应用的主要问题是充电过程中的枝晶生长。一方面，枝晶生长会导致电池短路，从而引发电池系统热失控、电解液着火等一系列安全事故；另一方面，枝晶生长增加了锂金属与负极的反应活性，消耗了活性物质，造成电池利用率的下降。枝晶生长主要是由于在金属-电解液界面上的锂离子分布不匀，造成集流体表面的锂离子在时间和空间上的不均沉积，形成树枝状的锂枝晶。因此，对锂金属-电解液界面进行充分研究，实现锂离子在界面上的均匀分布，对研究锂离子在负极表面的沉积行为有重要意义。
近期，中国清华大学（北京）张强教授课题组与美国西北太平洋国家实验室的张继光教授合作，在国际著名开源期刊《尖端科学》上撰写研究综述 (Advanced Science, DOI: 10.1002/advs.201500213)，评述了目前金属锂负极表面固体-电解质界面膜的形成机理、表征手段和调控方法，并对锂金属电池的发展进行了展望。
上个世纪七十年代末，以色列特拉维夫大学的Emanuel Peled教授提出了固体电解液界质膜的概念。在本综述中，首先介绍了理想的固体电解质界面膜的典型特征: (1)允许锂离子通过但对电子绝缘，从而以保护金属锂不受电解液的侵蚀和反应，提高库伦效率；(2)在结构和成分上处处均匀，以实现锂离子的均匀分布，抑制枝晶的出现；(3)具有高的模量，可抑制枝晶刺穿隔膜。而真实体系工作状态金属锂表面的固体电解质界面膜却在成分、结构和空间分布上差异。锂离子分布并不均匀，SEI模量低，金属锂枝晶容易刺穿。为了明确揭示金属锂负极表面的固体电解质界面膜，作者总结了界面膜形成的机理和结构模型，并阐明不同表征手段在界面膜研究中的作用，从而可获得固态电解质界面膜的表面化学性质、表面形貌、电化学性质，并能在电池循环过程中的对如上特性进行动态追踪。为了在金属负极表面有效构建稳定和高效的固态电解质界面膜，进一步探讨了电解液成分、电流密度、温度等因素对界面膜性质的影响，并从电解液添加剂、非原位界面膜构建、固态电解质、金属锂负极结构设计等方面评述最新的研究进展。
经过近四十年的努力，已对固态电解质界面膜的性质有所掌握，并发展出一些构建稳定界面膜的方法以获得长循环寿命、高库伦效率、高安全性的锂金属电池。但是，至目前为止，研究人员不仅缺乏对固态电解质界面膜的精确成分、结构、形成机理、高效构建的清晰认识，还尚未建立固态电解质界面膜研究的合理理念和方法论。因此，时至今日，可充电的金属锂电池产品也寥寥无几。锂金属电池的商业应用还需要来自物理、化学、材料、工程应用等学科的进一步通力合作，开展更为深入的基础研究和技术探索。通过对固态电解质界面膜的深入研究，以锂金属为负极的锂硫电池、锂空气电池及其他新型电池在高续航时间的便携式电子设备、高行驶里程的电动汽车上有巨大的应用前景。
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